Simulação quântica da eletrodinâmica quântica com espinores

Abstract

Atualmente, a computação clássica é uma ferramenta útil que permite simular e descrever muitos fenômenos da Física. No entanto, os computadores clássicos não são eficientes na simulação de fenômenos quânticos. Foi em 1982, quando R. Feynman propôs usar um computador quântico capaz de imitar a dinâmica de um sistema quântico que não pode ser implementado em laboratório ou analisado com os computadores clássicos atuais. A simulação quântica é um processo pelo qual um sistema é criado para imitar outro. Levando em consideração a proposta de Feynman, propõe-se um protocolo de simulação quântica das interações que ocorrem na eletrodinâmica quântica no gauge de Coulomb, considerando graus de liberdade internos como o spin do elétron e polarização do fóton. O mapeamento de férmions para qubits é realizado usando a transformação de Jordan-Wigner. Este protocolo mostra um desafio para a simulação quântica da QED, devido aos 64 termos de interação descrito pelo Hamiltoniano de interação. A implementação de um sistema análogo ou digital desse protocolo poder ser útil em alguns fenômenos descritos na teoria quântica de campo e química quântica onde a auto-interação de elétrons ou interação elétron-pósitron é estudada considerando o spin.

Abstract: Currently, classical computing is a useful tool that allows you to simulate and describe many physics phenomena. However, classical computers are not efficient in simulating quantum phenomena. It was in 1982, when R. Feynman proposed to use a quantum computer capable of imitating the dynamics of a quantum system that cannot be implemented in the laboratory or analyzed with today's classic computers. Quantum simulation is a process by which one system is created to mimic another. Taking into account Feynman's proposal, a protocol for quantum simulation of interactions that occur in quantum electrodynamics in Coulomb's gauge is proposed considering internal degrees of freedom such as electron spin and photon polarization. The mapping of fermions to qubits is performed using the Jordan-Wigner transformation. This protocol presents a challenge for the quantum simulation of QED, due to the 64 interaction terms described by the interaction Hamiltonian. The implementation of an analog or digital system of this protocol can be useful in some phenomena described in quantum field theory and Quantum chemistry where electron self-interaction or electron-positron interaction is studied considering the spin.